動(dòng)手實(shí)踐AT指令：LoRaWAN訓(xùn)練器

我們使用樹莓派和免費(fèi)軟件構(gòu)建了一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的測(cè)試平臺(tái)。

AT指令為用戶提供了一個(gè)友好的界面，用于設(shè)置和管理通信模塊。LoRaWAN是一種低功耗、遠(yuǎn)距離的通信協(xié)議，常用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。在這個(gè)項(xiàng)目中，我們將構(gòu)建一個(gè)設(shè)備，幫助用戶更深入地理解這些通信技術(shù)如何協(xié)同工作。

這個(gè)設(shè)備，我稱之為LoRaWAN訓(xùn)練器，將幫助用戶深入了解網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備管理。一旦組裝和編程完成，它將為配置和測(cè)試遠(yuǎn)距離無線系統(tǒng)提供一個(gè)實(shí)用的平臺(tái)。

在本文中，我們將涵蓋項(xiàng)目的硬件和軟件部分。不過，首先讓我們回顧一下AT指令和LoRaWAN的一些基礎(chǔ)知識(shí)。

什么是AT指令？

AT指令是基于文本的指令，用于控制和配置通信設(shè)備。它們簡化了與設(shè)備硬件的交互，使開發(fā)人員能夠?qū)Ｗ⒂谙到y(tǒng)應(yīng)用，而不是底層的編程任務(wù)。這些指令在設(shè)備和平臺(tái)之間是通用的。

表1列出了一些基本的AT指令示例。

表1 基本AT指令

AT指令   描述

AT    測(cè)試與設(shè)備的連接。

AT+GMR  獲取固件版本信息。

AT+RST    重置設(shè)備。

AT+CSQ   檢查信號(hào)質(zhì)量。

AT+SEND 向指定接收者發(fā)送數(shù)據(jù)。

在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，AT指令減少了調(diào)制解調(diào)器管理任務(wù)，如網(wǎng)絡(luò)配置、數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)診斷。它們還適用于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的原型設(shè)計(jì)和調(diào)試。

在LoRaWAN中使用AT指令

LoRaWAN（長距離廣域網(wǎng)）是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中常用的通信協(xié)議。它功耗低，工作在未授權(quán)的頻段，并支持上行和下行通信。圖1展示了一些常見的LoRaWAN應(yīng)用。

圖1 LoRaWAN應(yīng)用（圖片由Microchip提供）

AT指令通過基于文本的界面簡化了LoRaWAN設(shè)備的設(shè)置和管理，使用戶能夠有效地配置、監(jiān)控和操作這些設(shè)備。表2列出了一些用于LoRaWAN的AT指令示例。

表2 用于LoRaWAN的AT指令

AT指令   描述

AT+JOIN  啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)加入過程。

AT+SEND 發(fā)送上行數(shù)據(jù)。

AT+NJS    檢查網(wǎng)絡(luò)加入狀態(tài)。

AT+RSSI   獲取信號(hào)強(qiáng)度。

AT+BAND 配置區(qū)域頻率波段。

AT指令允許快速開發(fā)和部署物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，而無需深入了解底層通信協(xié)議（在本例中為LoRaWAN）。用戶和開發(fā)人員可以使用AT指令設(shè)置設(shè)備憑證、加入網(wǎng)絡(luò)并管理數(shù)據(jù)傳輸。

想了解更多關(guān)于LoRaWAN的內(nèi)容？或者只是想復(fù)習(xí)一下？請(qǐng)查看All About Circuits網(wǎng)站上的文章《解密LoRa和LoRaWAN無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議》。

LoRaWAN訓(xùn)練器的設(shè)計(jì)

正如文章開頭所述，LoRaWAN訓(xùn)練器是一個(gè)動(dòng)手實(shí)踐工具，旨在幫助開發(fā)人員和用戶探索AT指令與LoRaWAN的結(jié)合使用。圖2展示了LoRaWAN訓(xùn)練器項(xiàng)目的概念框圖。

圖2 LoRaWAN訓(xùn)練器框圖（圖片由Don Wilcher提供）

訓(xùn)練器有三個(gè)主要的硬件組件：

主機(jī)計(jì)算機(jī)（樹莓派）。

集中器（LR1302網(wǎng)關(guān)模塊）。

節(jié)點(diǎn)（LR1262節(jié)點(diǎn)模塊）。

它還包括其他提供支持功能的組件，我們將在本節(jié)末尾討論這些內(nèi)容。在此之前，讓我們先了解上述三個(gè)硬件部分。

主機(jī)計(jì)算機(jī)

樹莓派作為訓(xùn)練器的中央處理單元（CPU）和主機(jī)計(jì)算機(jī)，運(yùn)行軟件以與網(wǎng)關(guān)和節(jié)點(diǎn)模塊進(jìn)行交互。

集中器

Elecrow LR1302網(wǎng)關(guān)模塊（圖3）充當(dāng)LoRaWAN節(jié)點(diǎn)與互聯(lián)網(wǎng)之間的通信橋梁。該模塊最重要的部分是集中器，它管理著LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)的消息傳輸?！熬W(wǎng)關(guān)”是一個(gè)物理設(shè)備，包含一個(gè)集中器和至少一個(gè)無線電。

圖3 Elecrow LR1302網(wǎng)關(guān)模塊（圖片由Elecrow提供）

節(jié)點(diǎn)

節(jié)點(diǎn)是用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包的LoRaWAN設(shè)備。在本例中，它采用Elecrow LR1262節(jié)點(diǎn)模塊的形式（圖4）。該模塊支持AT指令，用于配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)并向集中器發(fā)送消息。

圖4 Elecrow LR1262節(jié)點(diǎn)模塊（圖片由Elecrow提供）

節(jié)點(diǎn)對(duì)于建立LoRaWAN系統(tǒng)的上行和下行通信至關(guān)重要。

其他組件

我的訓(xùn)練器版本還包括一個(gè)GPS天線模塊，盡管這是可選的。天線模塊的目的是通過提供網(wǎng)關(guān)位置的全球定位數(shù)據(jù)，允許訓(xùn)練器發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包。如果你不想使用天線模塊，可以在訓(xùn)練器中集成一個(gè)無線信標(biāo)來實(shí)現(xiàn)相同的功能。

訓(xùn)練器中的GPS天線提供一個(gè)每秒一次脈沖（PPS）輸出信號(hào)。通過串行鏈路連接到主機(jī)計(jì)算機(jī)，它可以發(fā)送包含時(shí)間和地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)的NMEA幀。

LoRaWAN訓(xùn)練器的其他組件包括：

樹莓派擴(kuò)展板：這塊PCB連接網(wǎng)關(guān)模塊和樹莓派。

鍵盤和顯示器：像電源一樣，這些可能是必備的，但請(qǐng)確保你手頭有這些設(shè)備。

各種電纜：你需要跳線和USB-C電纜。

構(gòu)建LoRaWAN訓(xùn)練器

現(xiàn)在我們已經(jīng)回顧了訓(xùn)練器的組件，是時(shí)候組裝它們了。步驟如下：

將LR1302網(wǎng)關(guān)模塊連接到樹莓派擴(kuò)展板。

將網(wǎng)關(guān)/擴(kuò)展板組件與樹莓派連接。

將兩個(gè)天線連接到樹莓派擴(kuò)展板。

將鍵盤、顯示器和電源連接到樹莓派。

讓我們逐步進(jìn)行。

將LR1302網(wǎng)關(guān)模塊連接到樹莓派擴(kuò)展板

構(gòu)建LoRaWAN訓(xùn)練器的第一步是將LR1302網(wǎng)關(guān)模塊連接到樹莓派擴(kuò)展板（圖5）。擴(kuò)展板將充當(dāng)網(wǎng)關(guān)模塊與主機(jī)計(jì)算機(jī)之間的橋梁。

圖5 步驟1：將網(wǎng)關(guān)模塊和擴(kuò)展板組裝成一個(gè)設(shè)備（圖片由Don Wilcher提供）

擴(kuò)展板包括一個(gè)mini-PCIe（mPCIe）連接器。要將網(wǎng)關(guān)模塊與樹莓派擴(kuò)展板連接，請(qǐng)將模塊插入mPCIe連接器，并將跳線連接到PCB。插入LR1302模塊時(shí)，請(qǐng)確保網(wǎng)關(guān)邊緣連接器與PCB的mPCIe連接器正確對(duì)齊。

將網(wǎng)關(guān)/擴(kuò)展板組件與樹莓派連接

接下來，我們需要將樹莓派的40針公連接器與擴(kuò)展板的40針母連接器對(duì)齊。此步驟如圖6所示。

圖6 步驟2：將樹莓派擴(kuò)展板連接到樹莓派（圖片由Don Wilcher提供）

然后，使用USB-C電纜將擴(kuò)展板連接到樹莓派的USB端口。

將天線連接到樹莓派擴(kuò)展板

將大天線和GPS天線連接到擴(kuò)展板，如圖7所示。

圖7 步驟3：將大天線和GPS天線連接到樹莓派擴(kuò)展板（圖片由Don Wilcher提供）

最終硬件組裝

到步驟3為止，LoRaWAN訓(xùn)練器的主要組件已經(jīng)組裝完畢。剩下的就是將鍵盤和顯示器連接到樹莓派的可用USB端口，插入電源并啟動(dòng)樹莓派。如果一切正常，以下LED燈應(yīng)該亮起：

綠色電源燈。

紅色配置燈。

藍(lán)色接收（RX）燈。

綠色發(fā)送（TX）燈。

擴(kuò)展板PCB底部的冷卻風(fēng)扇也應(yīng)該運(yùn)行。這完成了LoRaWAN訓(xùn)練器的硬件構(gòu)建。

軟件安裝與用例

在項(xiàng)目的軟件部分，我們將參考Elecrow的Wiki。安裝數(shù)據(jù)包軟件和配置樹莓派的說明可以在LR1302網(wǎng)關(guān)模塊的Wiki頁面上找到。節(jié)點(diǎn)模塊與網(wǎng)關(guān)模塊通信所需的AT指令也有自己的Wiki頁面。

軟件安裝完成后，你還可以考慮探索Elecrow為節(jié)點(diǎn)模塊提供的用例。使用Tera-Term軟件終端包，可以輕松地在你的LoRaWAN訓(xùn)練器上執(zhí)行和演示W(wǎng)iki頁面上的示例。圖8展示了一個(gè)使用Tera-Term的發(fā)送/接收會(huì)話示例。

圖8 LoRaWAN訓(xùn)練器的Tera-Term會(huì)話（圖片由Don Wilcher提供）

總結(jié)

恭喜你——你現(xiàn)在擁有了一個(gè)完整的LoRaWAN訓(xùn)練器！隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，此類訓(xùn)練工具將幫助探索創(chuàng)新的遠(yuǎn)距離通信設(shè)備和系統(tǒng)。